logo TZB-info

Tepelné zisky vo výpočte letného prehrievania budov

Zhoršenie tepelného komfortu počas horúcich letných dní sužuje obyvateľov bytových domov už niekoľko rokov a podľa prognóz vývoja globálnej klímy sa to tak skoro nezlepší. V článku je uvedený príklad rozvrhu pre modelový bytový dom, zostavený na základe doterajších zvyklostí ako aj novších štatistických štúdií zo zahraničia. Poukazuje tiež na rozdiely vo výsledkoch simulácie pri rôznych spôsoboch aplikácie rozvrhu vnútorných tepelných ziskov v byte.

Reklama

1. Úvod

Problematika výpočtu tepelných ziskov sa javí ako dobre známa a zvládnutá. Má pevnú štruktúru zavedenú normou ČSN 730548 s názvom: Výpočet tepelnej záťaže klimatizovaných priestorov už v 80. rokoch minulého storočia. Lenže od tej doby sa v stavebníctve toho veľa zmenilo. V architektúre budov sa uplatňuje viac skla a transparentných prvkov, na obálke budov sú väčšie hrúbky tepelných izolácií a v dôsledku technologického pokroku narástlo každodenné používanie elektrických spotrebičov [2]. Vďaka globálne klimatickej zmene sa klimatizujú nielen niektoré verejné budovy ale všetky druhy budov, obytné nevynímajúc. Základná slovenská tepelnotechnická norma STN 730540:2012 [3] v článku 7.2.3 uvádza, že budovy na bývanie (rodinné domy, bytové domy, internáty a domovy dôchodcov) majú byť navrhnuté tak, aby nebolo potrebné zabezpečovať tepelnú pohodu počas letného obdobia klimatizáciou. To sa má dosiahnuť účinným tienením zasklených plôch a využitím tepelnej zotrvačnosti vnútorných konštrukcií spolu s efektívnym prirodzeným (alt. núteným) vetraním. Inak povedané, projektant má urobiť všetko preto, aby v obytnej budove nebolo potrebné používať v letnom období na dosiahnutie stavu tepelnej pohody klimatizáciu. Predstava je taká, že teplo z vyšších vnútorných tepelných ziskov v určitých fázach dňa sa bude akumulovať do stavebných konštrukcií. V inej fáze dňa, najmä v noci a ráno, sa má vetraním z interiéru odviezť. Funkčnosť takéhoto návrhu sa preukazuje výpočtom pre kritický deň s hodinovým časovým krokom. Vnútorné tepelné zisky sa do výpočtu zadávajú s denným rozvrhom, pričom nie je presne stanovené ako takýto rozvrh vytvoriť. Návod, ako by to mohlo vyzerať, sa nachádza v tomto príspevku.

2. Vnútorné zisky a obsadenosť priestorov

Obr. 1 Denný režim obsadenosti v objektoch podľa spôsobu využitia: kancelária, bytový dom, reštaurácia, škola [5].
Obr. 1 Denný režim obsadenosti v objektoch podľa spôsobu využitia: kancelária, bytový dom, reštaurácia, škola [5].

Problematika denných rozvrhov vnútorných tepelných ziskov je úzko spätá s modelmi obsadenosti bytu, kancelárie či inej miestnosti. Na obr. 1 je cez podiel užívateľov dokumentovaný model obsadenosti priemerného bytu, kancelárie, reštaurácie a školy. Pri tvorbe režimu vnútorných tepelných ziskov sa môžu používať vhodne zvolené extrémne, alebo štatisticky priemerné hodnoty. V prvom prípade je potrebné správne zvoliť reprezentatívny rozvrh. Pretože žiadna norma nemôže presne vystihnúť reálne vnútorné tepelné zisky obytného priestoru, je vhodné sa oprieť aspoň o niekoľké štatistické výsledky, napr. priemernú ročnú spotrebu energie a podobne. Štatistiky s priemernými hodnotami obsadenosti sa môžu od seba líšiť a to podľa zvyklostí využívania času v jednotlivých krajinách. Najväčšie rozdiely sú medzi severskými a južnými európskymi krajinami [4]. Ak ide o štatisticky priemerné hodnoty, obsadenosť takmer nikdy nie je nulová a prechody z minimálnej na maximálnu obsadenosť sú pozvoľné, trvajú niekoľko hodín. Obsahujú aj určité iracionálne správanie a majú vyššiu mieru spoľahlivosti. Ich vytváraniu sa venuje značná pozornosť, najmä v súvislosti s využívaním obnoviteľných zdrojov energie. Vďaka digitalizácii sa významne zjednodušili možnosti pozorovania aj vyhodnocovania štatistických výskumov. V prípade, že by sme sledovali obsadenosť konkrétnej miestnosti v objekte v daný deň, teda nie z hľadiska priemerných parametrov, ale ako modelovú situáciu, môže sa režim obsadenosti, či celkovo režim vnútorných tepelných ziskov, podstatne líšiť od štatisticky priemerného. Zmeny v obsadenosti v tomto prípade môžu nastať skokovito. Pri zostavovaní náhodných profilov sa používajú Markovove reťazce. Výsledky zo simulačných programov, ktoré predpovedajú tieto náhodne procesy, sa sľubne zhodujú s realitou. Majú veľkú perspektívu a určite v budúcnosti nájdu svoje uplatnenie pri predpovedi ľudského správania.

3. Rozvrh vnútorných tepelných ziskov pre byt

V simulačných štúdiách sa v minulosti vytvárali relatívne jednoduché režimy, ktoré rozdeľovali deň do niekoľkých fáz s konštantnou hodnotou (napríklad ráno, cez deň, večer a v noci), oproti súčasným komplexnejším, ktoré menia hodnoty každú hodinu. Model obsadenosti bytového domu sa v skutočnosti vždy skladá z obyvateľov s odlišným správaním. Zo štatistického súboru 15 000 domácnosti v severoamerickom Massachusetts boli vybrané štyri profily obyvateľov s charakteristickým správaním, čím sa myslí čas odchodu z bytu a čas príchodu do bytu [6](obr. 2). Prvým je obyvateľ, ktorý z bytu odchádza zriedkavo. Reprezentuje človeka na dôchodku, pracujúceho z domu, materskej dovolenke alebo v chorobe. Druhý profil obyvateľov za rána odchádza z bytu do práce a vracia sa neskoro popoludní. Tretí profil obyvateľov odchádza z bytu ráno o niečo neskôr, ale vracia sa už skoro popoludní. Predstavuje najmä školopovinné deti a mládež. Posledný profil nezapadá do žiadnej z týchto schém, pretože zväčša v byte dopoludnia ostáva a odchádza popoludní, pričom sa vracia až neskoro večer. Môže predstavovať človeka na dovolenke, návšteve, pracujúceho brigádnicky popoludní a podobne. Model obsadenosti konkrétneho bytu alebo bytového domu je možné vyskladať z týchto štyroch profilov obyvateľov. Na obrázku 2 je pod názvom mix uvedený priebeh obsadenosti bytu, ktorý sa bude skladať z dôchodcu (alebo mamičky na materskej dovolenke), pracujúceho a dvoch školopovinných detí.

Uvedené modely obsadenosti majú platnosť len v pracovných dňoch, presnejšie od pondelka do štvrtku. Piatok je síce pracovným dňom, ale v štatistikách sa jeho režim odlišuje od ostatných pracovných dní, pravdepodobne pre nastávajúci víkend, a s tým spojenú prípravu, cestovanie a podobne. Vytvárať víkendové režimy vnútorných tepelných ziskov len na základe štatistických zistení, je dosť komplikované. Nie sú tam pevné zákonitosti. V prípade bytových domov sa predpokladá v priemere o niečo vyššia obsadenosť ako v pracovný deň. Pre víkendový režim sa profil pracujúceho a školopovinného dieťaťa môže zmeniť na profil dôchodcu, prípadne návštevníka.

Obr. 2 Obsadenosť bytu podľa druhu obyvateľov [6]
Obr. 2 Obsadenosť bytu podľa druhu obyvateľov [6]
Obr. 3 Príklad modelu obsadenosti bytu podľa druhu miestnosti a dňa v týždni
Obr. 3 Príklad modelu obsadenosti bytu podľa druhu miestnosti a dňa v týždni

4. Návrh štandardného rozvrhu vnútorných tepelných ziskov bytu

Napriek veľkej rozmanitosti, ktorá je spojená s tvorbou profilov vnútorných tepelných ziskov existuje potreba štandardizovaného rozvrhu, pretože zvolený rozvrh bude významne ovplyvňovať výsledky a rozhodovať o tom, či navrhovaná budova spĺňa požiadavku na najvyšší vzostup teploty v letnom období, resp. či bude dochádzať k prehrievaniu. Na obr. 4 a 5 je uvedený návrh rozvrhu tepelných ziskov od ľudí a prístrojov, pričom hodnoty vychádzajú z priemernej obsadenosti bytu na m2 a z tepelnej záťaže 70 W na dospelú osobu mužského pohlavia.

Rozvrh tepelných ziskov z osvetlenia sa tu neuvádza, pretože je málo významný. Pri tvorbe rozvrhu tepelných ziskov z osvetlenia je potrebné vziať do úvahy rozdiely v používaní osvetlenia v rámci ročných období. V čase, keď hodnotíme letné prehrievanie, je vždy slnečný deň s vysokými hodnotami jasov a vnútorné tepelné zisky z osvetlenia budú aplikované len vo večerných hodinách. Je to rozdiel oproti kancelárii, kde sa požaduje vysoká úroveň osvetlenia aj počas dňa. Vnútorné tepelné zisky z osvetlenia sú v súčasnosti silno ovplyvnené typom zdroja, pričom najväčší rozdiel je medzi žiarovkami a LED osvetlením, kde je pri rovnakej úrovni osvetlenia rozdiel 10 až 20 násobný [7].

Obr. 4 Návrh rozvrhu (harmonogramu) tepelných ziskov v byte od ľudí
Obr. 4 Návrh rozvrhu (harmonogramu) tepelných ziskov v byte od ľudí
Obr. 5 Návrh rozvrhu (harmonogramu) tepelných ziskov v byte od prístrojov
Obr. 5 Návrh rozvrhu (harmonogramu) tepelných ziskov v byte od prístrojov

V dôsledku technologického pokroku pribúdajú v domácnosti spotrebiče (mikrovlnky, mrazničky, rýchlo-varné kanvice, umývačky riadu, sušičky, počítače a iné). Podiel malých spotrebičov na spotrebe elektrickej energie narástol zo 41 % v roku 2000 na 54 % v roku 2012, kedy priemerná ročná spotreba elektrickej energie spotrebičmi v domácnosti prestavovala 1 850 kWh. Najväčšími spotrebičmi energie sú chladnička, umývačka riadu, mraznička, pračka a sušička [8]. Problematické je určiť podiel medzi konvektívnou a sálavou zložkou tepelných ziskov od domácich spotrebičov. Podľa typu spotrebiča sa môže pohybovať od 40 % sálaním a 60 % konvekciou pre práčku, cez 60 % sálaním a 40 % konvekciou pre umývačku riadu, do 100 % konvekciou pre chladničku. Priemer podľa ASHRAE [9] pre malé domáce spotrebiče je 60 % sálaním a 40 % konvekciou.

5. Stupne komplexnosti rozvrhov

Pri tvorbe rozvrhov vnútorných tepelných ziskov je možné zvoliť viaceré prístupy odlišujúce sa svoju komplexnosťou:

  1. Celoplošná hodnota vs. Diverzifikácia – jednotný rozvrh tepelnej záťaže od ľudí môže byť aplikovaný pre všetky miestnosti v byte, alebo každá jedna miestnosť bude mať svoj vlastný rozvrh. Táto podrobnosť má zmysel najmä pri hodnotení tepelnej pohody. Grafy na obrázkoch 6 a 7 ukazujú, aký môže byť rozdiel v priebehoch teploty vnútorného vzduchu ak je rovnaký režim použitý na celý byt, alebo každá miestnosť má svoj rozvrh.
  2. Izolovaný prístup vs. Korelácia – tepelný zisk od jednotlivého človeka môže byť zadaný pevnou hodnotou, alebo hodnotou, ktorá sa bude meniť podľa tepelných podmienok v danej miestnosti. To však vyžaduje robustnejšie numerické modely s dynamickou koreláciou veľkosti tepelnej záťaže od ľudí a klimatických podmienok v miestnosti. Ak takáto možnosť nie je, minimálne je možné zohľadniť vzostup a pokles teploty vzduchu v dennom harmonograme tepelnej záťaže. V skutočnosti sa mení podiel medzi sálavou a konvektívnou zložkou tepelného zisku, čo by bolo tiež potrebné zohľadniť.

Najkomplexnejšou formou zadávania tepelných ziskov je zadávanie rozvrhu s diverzifikáciou a koreláciou na vnútornú klímu. Najjednoduchším spôsobom zadávania je naopak fixná hodnota aplikovaná celoplošne bez korelácie na vnútornú klímu. Nakoľko simulácie majú byť reprezentovaním reálnych skutočností v počítači a v realite sa počet ľudí v miestnosti počas dňa významne mení, za akceptovateľné v simulačnom výpočte by sa malo považovať len používanie modelov s hodinovým rozvrhom. Zadávanie pomocou fixnej hodnoty počas celého dňa je vhodné len pre rôzne teoretické parametrické štúdie a hrubé porovnania.

6. Test spôsobu tvorby rozvrhu

Z dôvodu poukázania na rozdiely vo výsledkoch simulácie letného prehrievania bytu pri použití celoplošnej hodnoty a rozdelení (diverzifikácie) vnútorných tepelných ziskov podľa druhu miestnosti bol vytvorený modelový príklad simulácie medziľahlého podlažia bytového domu sústavy T06B v programe EnergyPlus (obr. 6).

Obr. 6 Geometria viaczónového simulačného modelu časti bytového domu (202 – obývacia izba, 203 – izba, 204 – izba, 205 – kuchyňa, 207 – kúpeľňa,  208 – spálňa)
Obr. 6 Geometria viaczónového simulačného modelu časti bytového domu (202 – obývacia izba, 203 – izba, 204 – izba, 205 – kuchyňa, 207 – kúpeľňa, 208 – spálňa)

Obalové konštrukcie modelu tvorí panel z troskomezobetónu hrúbky 300 mm zateplený penovým polystyrénom hr. 200 mm a okná s tepelnoizolačným trojsklom a vnútorným tienením tkaninou. Vnútorné nosné steny sú zo železobetónu s hrúbkou 150 mm, priečky s hrúbkou 80 mm. Stropnú konštrukciu tvorí železobetónový panel hrúbky 120 mm. Skladbu podlahy tvorí penový polystyrén hrúbky 15 mm, betónová mazanina hrúbky 38 mm a podlahovina z PVC. Použitý bol letný týždeň klimatického referenčného roku pre mesto Ostrava z databázy IWEC. V augustový týždeň, s typicky teplým počasím, teplota vonkajšieho vzduchu zo dňa na deň stúpa. Nočné vetranie má priemernú intenzitu zodpovedajúcu oknu otvorenému vo ventilačnej polohe (1,0 1/h). Nižšia výmena vzduchu je viac-menej aj cez deň (2,0 1/h) s tým, že k intenzívnemu vetraniu otvorením okna dokorán (4,0 1/h) dochádza len ráno a večer. Dvere medzi miestnosťami boli trvalo zatvorené.

Na obr. 7 a obr. 8 sú dokumentované priebehy simulovanej teploty vzduchu v jednotlivých miestnostiach podľa spôsobu modelovania vnútorných tepelných ziskov. V prípade modelovania celoplošnou hodnotou sú dosiahnuté nižšie maximálne teploty v kritických miestnostiach (obývačka a kuchyňa). Vplyv diverzifikácie modelovania ziskov sa neprejavuje v miestnosti s menšími vnútornými ziskami (spálňa), simulované maximálne teploty vzduchu sú málo ovplyvnené spôsobom modelovania.

Obr. 7 Simulovaný priebeh teploty vzduchu počas leta v jednotlivých miestnostiach bytu s vnútornými tepelnými ziskami zadávanými pomocou harmonogramu s celoplošnou hodnotou a bez korelácie na vnútornú klímu
Obr. 7 Simulovaný priebeh teploty vzduchu počas leta v jednotlivých miestnostiach bytu s vnútornými tepelnými ziskami zadávanými pomocou harmonogramu s celoplošnou hodnotou a bez korelácie na vnútornú klímu
Obr. 8 Simulovaný priebeh teploty vzduchu počas leta v jednotlivých miestnostiach bytu s vnútornými tepelnými ziskami zadávanými pomocou harmonogramu s diverzifikáciou do jednotlivých miestností a bez korelácie na vnútornú klímu
Obr. 8 Simulovaný priebeh teploty vzduchu počas leta v jednotlivých miestnostiach bytu s vnútornými tepelnými ziskami zadávanými pomocou harmonogramu s diverzifikáciou do jednotlivých miestností a bez korelácie na vnútornú klímu

7. Vplyv miešania vzduchu cez interiérové dvere

Obr. 9 Simulovaný priebeh teploty vzduchu počas leta v jednotlivých miestnostiach bytu s vnútornými tepelnými ziskami zadávanými harmonogramom s diverzifikáciou do jednotlivých miestností a bez korelácie a s miešaním vzduchu medzi miestnosťami cez dvere
Obr. 9 Simulovaný priebeh teploty vzduchu počas leta v jednotlivých miestnostiach bytu s vnútornými tepelnými ziskami zadávanými harmonogramom s diverzifikáciou do jednotlivých miestností a bez korelácie a s miešaním vzduchu medzi miestnosťami cez dvere

Rozdiel vo výsledných simulovaných teplotách vzduchu v interiéri ovplyvňuje aj uvažovanie s miešaním vzduchu cez interiérové dvere. Teplejší vzduch v miestnosti s vyššími vnútornými ziskami (kuchyňa, obývačka) sa môže miešať cez obojsmerný komponent so vzduchom v chladnejších miestnostiach (chodba, spálňa a pod.). V prípade tejto simulačnej štúdie, ak sa simuluje miešanie vzduchu medzi miestnosťami cez komponent s konštantným obojsmerným prúdením 0,1 m3/s, rozdiel v maximálnej teplote vzduchu medzi jednotlivými miestnosťami bytu môže významne klesnúť. (obr. 9).

8. Záver a diskusia

Reprezentovať realitu pri simuláciách býva často zložité pre vplyv mnohých premenných na výsledok. Ako ukazuje simulačná štúdia v tomto príspevku, vplyv aplikácie vnútorných tepelných ziskov do konkrétneho režimu ako okrajovej podmienky má tiež nezanedbateľný vplyv na výsledok simulácie letného prehrievania. V prípade modelovania celoplošnou hodnotou (vo W/m2) sú dosahované významné rozdiely v teplotách v kritických miestnostiach (kritická je miestnosť s vyššími vnútornými tepelnými ziskami, napr. kuchyňa, jedáleň, obývačka). V miestnosti s menšími vnútornými ziskami sú simulované maximálne teploty len málo ovplyvnené spôsobom modelovania. Toto tvrdenie platí v prípade, že je vytvorený model bez miešania vzduchu medzi jednotlivými miestnosťami. Už aj malé miešanie vzduchu cez dvere významne zmenší rozdiel v maximálnej simulovanej teplote vzduchu medzi miestnosťami. V prípade, že sa modeluje miešanie vzduchu medzi jednotlivými miestnosťami, je možné bez väčšieho dopadu na presnosť zadávať vnútorné tepelné zisky celoplošne rovnakou hodnotou do všetkých miestností. Tu vzniká otázka, či bude model s určitým miešaním vzduchu cez dvere bližšie k reálnej prevádzke, alebo nie. Dá sa predpokladať, že v čase maxima teploty vnútorného vzduchu si budú chcieť obyvatelia zabezpečiť zvýšený pohyb vzduchu (prievan) otvorením okien a dverí. Jednoznačná odpoveď tu ale nie je. Závisí od konkrétnej situácie, či budú obyvatelia požadovať zatvorené dvere z dôvodu vyššieho súkromia a lepšej akustiky alebo nie.

Referencie:

  1. LEVERMORE, G. – HOFFMANN, S. – RABENSEIFER, R. Comparison of TRYs for Bratislava. In: The Central Europe for Sustainable Buildings. Conference, Vol. 2, Praha, 2007, p. 593-598.
  2. HALUZA, M. – MACHÁČEK, J. Spotřeba elektrické energie domácností, predikce a potenciální úspory pomocí BACS, tzb-info [online]. 2012, dostupné na internete: https://elektro.tzb-info.cz/8570-spotreba-elektricke-energie-domacnosti-predikce-a-potencialni-uspory-pomoci-bacs
  3. STN 73 0540:2012 Tepelná ochrana budov. Tepelnotechnické vlastnosti stavebných konštrukcií a budov.
  4. HETUS Harmonised European Time Use Survey. 2005, dostupné na internete: https://ec.europa.eu/eurostat/documents/3888793/5833013/KS-CC-05-001-EN.PDF/5af70d49-9012-444d-b6a0-f28a7677d8e4
  5. internetové stránky spoločnosti REVIT (21-1-2020): https://knowledge.autodesk.com/support/revit-products/learn-explore/caas/CloudHelp/cloudhelp/2020/ENU/Revit-Analyze/files/GUID-D72DDB68-621C-4258-96FE-BEAD337B960E-htm.html
  6. RAKHA, T. – ROSE, C. – REINHART, Ch. A framework for modelling occupancy schedules and local trips based on activity based surveys. In. Building Simulation Conference. Atlanta: ASHRAE/IBPSA-USA, 2014, s. 10-12
  7. SMOLA, A. Je LED univerzálne a konečné riešenie? Nové princípy svetelných zdrojov. In 43. konferencia elektrotechnikov Slovenska, Poprad, Slovenský elektrotechnický zväz, 2015, s. 1240-1245, dostupné na internete: https://www.sez-kes.sk/assets/files/obsah/58-Smola_ZB0R43ko.pdf
  8. EICHHAMMER W. Financing the Energy Efficient Transformation of the Building Sector in the EU. ADEME Editions, Paris. [online]. 2012, dostupné na internete: http://www.odyssee-mure.eu
  9. ASHRAE, Handbook of Fundamentals, American Society of Heating, Refrigerating, and Air-Conditioning Engineers (ASHRAE), Atlanta, USA, 2005.
 
Komentář recenzenta Ing. Zdenko Malík, ČVUT Praha, pracoviště UCEEB

V úvodu recenze považuji za potřebné upozornit čtenáře na rozdílnost požadavkových norem v ČR a SR. Zatímco STN 730540-2:2012 ukládá při výpočtu tepelné stability v letním období uvažovat s vnitřními tepelnými zisky, dle ČSN 73 0540 2:2011 se s vnitřními tepelnými zisky pro hodnocení tepelné stability v letním období neuvažuje. Téma vnitřních tepelných zisků je ale obecně zajímavé z pohledu optimalizace návrhů a energetických simulací. Článek srozumitelně představuje postup tvorby rozvrhu vnitřních tepelných zisků a následné testování vlivu diverzifikace rozvrhů v rámci bytu. V závěru autor shrnuje výsledky výpočtů a diskutuje vliv rozložení vnitřních tepelných zisků jako okrajové podmínky na výsledky simulace a míru reprezentování reality pomocí simulace. Doporučuji k vydání.

English Synopsis

The deterioration of thermal comfort during the hot summer days has been troubling occupants of apartment buildings for several years, and it is not expected to be improved soon according to global climate change. It is appropriate time to start deal with the question of the correct prediction of the effects of hot days series on indoor environments in non-conditioned areas seriously. In the simulation models created for this purpose, the correct daily schedule of indoor heat gains plays an important role. The behavior of the building occupants varies, so there are many possibilities for design the schedule. In this article there is an example of a schedule for a model apartment building, compiled on the basis of previous practices as well as more recent statistical studies from abroad. The contribution also shows differences in simulation results while we apply different ways of the internal heat gain schedule in the apartment.

 
 


ZOBRAZIT PLNOU VERZI
© Copyright Topinfo s.r.o. 2001-2020, všechna práva vyhrazena.